BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Seperti halnya

kinetika kimia, kinetika adsorpsi juga berhubungan dengan laju reaksi. Hanya

saja, kinetika adsorpsi lebih khusus, yang hanya membahas sifat penting dari

permukaan zat. Adsorpsi digunakan untuk menyatakan bahwa zat lain yang

terserap pada zat itu, misalnya karbon aktif dapat menyerap molekul asam asetat

dalam larutannya. Tiap partikel adsorban dikelilingi oleh molekul yang diserap

karena terjadi interaksi tarik-menarik. Zat-zat yang terlarut dapat diadsorpsi oleh

zat padat, misalnya CH3COOH oleh karbon aktif, NH3 oleh karbon aktif,

fenolftalein dari larutan asam atau basa oleh karbon aktif, Ag+ atau Cl- oleh AgCl.

C lebih baik menyerap non elektrolit dan makin besar BM semakin baik. Zat

anorganik lebih baik menyerap elektrolit. Adanya pemilihan zat yang diserap

menyebabkan timbulnya adsorpsi negatif. Dalam larutan KCl, H2O diserap oleh

arang darah, hingga konsentrasi naik (Alfian, 2006).

Partikel sol padat ditempatkan dalam zat cair atau gas, maka partikel zat

cair atau gas akan terakumulasi. Fenomena ini juga disebut adsorpsi. Jadi sdsorpsi

terkait dengan penyerapan partikel pada permukaan zat. Partikel koloid sol

memiliki kemampuan untuk mengadsorpsi partikel pendispersi pada

permukaanya. Daya adsorpsi partikel koloid tergolong besar Karena partikelnya

memberikan sesuatu permukaan yang luas. Sifat ini telah digunakan dalam

berbagai proses seperti penjernihan air.

Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik

cairan maupun gas) pada proses adsorpsi. Adsorben yang paling banyak dipakai

untuk menyerap zat-zat dalam larutan adalah arang. Zat ini banyak dipakai di

pabrik untuk menghilangkan zat-zat warna dalam larutan. Penyerapan bersifat

selektif, yang diserap hanya zat terlarut atau pelarut sangat mirip dengan

penyerapan gas oleh zat padat. Ketika pelarut yang mengandung zat terlarut

tersebut kontak dengan adsorben, terjadi perpindahan massa zat terlarut dari

pelarut ke permukaan adsorben, sehingga konsentrasi zat terlarut di dalam cairan

dan di dalam padatan akan berubah terhadap waktu dan posisinya dalam kolom

adsorpsi.

1.2 Tujuan Praktikum

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Adsorpsi

Adsorpsi adalah suatu proses dimana suatu komponen bergerak dari suatu

fasa menuju permukaan yang lain sehingga terjadi perubahan konsentrasi pada

permukaan. Zat yang diserap disebut adsorbat sedangkan zat yang menyerap

disebut adsorben. Pada umumnya adsorpsi dapat dibedakan menjadi dua yaitu

adsorpsi kimia (kemisorpsi) dan adsorpsi fisika (fisisorpsi). Adsorpsi fisika

disebabkan oleh interaksi antara adsorben dan adsorbat karena adanya gaya tarik

Van der Waals, adsorpsi ini biasanya bersifat reversibel karena terjadi melalui

interaksi yang lemah antara adsorben dan adsorbat, tidak melalui ikatan kovalen.

Panas adsorpsi fisika tidak lebih dari 15-20 kkal/mol atau 63-84 kJ/mol. Adsorpsi

kimia adalah adsorpsi yang melibatkan interaksi yang lebih kuat antara adsorben

dan adsorbat sehingga adsorbat tidak bebas bergerak dari satu bagian ke bagian

yang lain. Proses ini bersifat irreversibel sehingga adsorben harus dipanaskan

pada temperatur tinggi untuk memisahkan adsorbat. Panas adsorpsi kimia

biasanya lebih besar dari 20-30 kkal/mol atau 84-126 kJ/mol (Parker, 1993 ).

Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut

(soluble) yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penyerap,

dimana terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penyerapnya.

Adsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika (disebabkan

oleh gaya Van Der Waals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk

cairan) yang ada pada permukaan adsorbens) dan adsorpsi kimia (terjadi reaksi

antara zat yang diserap dengan adsorben, banyaknya zat yang teradsorbsi

tergantung pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan suhu)

(Oscik, 1982).

1. Adsorpsi fisika

Berhubungan dengan gaya Van der Waals. Apabila daya tarik menarik

antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar dari daya tarik menarik antara

zat terlarut dengan pelarutnya, maka zat yang terlarut akan diadsorpsi pada

permukaan adsorben. Adsorpsi ini mirip dengan proses kondensasi dan

biasanya terjadi pada temperatur rendah pada proses ini gaya yang menahan

molekul fluida pada permukaan solid relatif lemah, dan besarnya sama

dengan gaya kohesi molekul pada fase cair (gaya van der waals) mempunyai

derajat yang sama dengan panas kondensasi dari gas menjadi cair, yaitu

sekitar 2.19-21.9 kg/mol. Keseimbangan antara permukaan solid dengan

molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat reversibel.

2. Adsorpsi Kimia

Yaitu reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat terlarut yang

teradsorpsi. Adsorpsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang jauh

lebih besar daripada Adsorpsi fisika. Panas yang dilibatkan adalah sama

dengan panas reaksi kimia. Menurut Langmuir, molekul teradsorpsi ditahan

pada permukaan oleh gaya valensi yang tipenya sama dengan yang terjadi

antara atom-atom dalam molekul. Karena adanya ikatan kimia maka pada

permukaan adsorbent akan terbentuk suatu lapisan atau layer, dimana

terbentuknya lapisan tersebut akan menghambat proses penyerapan

selanjutnya oleh batuan adsorbent sehingga efektifitasnya berkurang.

2.2 Kinetika Adsorpsi

Seperti halnya kinetika kimia, kinetika adsorpsi juga berhubungan dengan

laju reaksi. Hanya saja, kinetika adsorpsi lebih khusus, yang hanya membahas

sifat penting dari permukaan zat. Kinetika adsorpsi yaitu laju penyerapan suatu

fluida oleh adsorben dalam suatu jangka waktu tertentu. Kinetika adsorpsi suatu

zat dapat diketahui dengan mengukur perubahan konsentrasi zat teradsorpsi

tersebut, dan menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta memplotkannya

pada grafik. Kinetika adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan adsorpsi. Kecepatan

adsorpsi dapat didefinisikan sebagai banyaknya zat yang teradsorpsi per satuan

waktu (Raya dkk, 2002). Kecepatan adsorpsi sangat dipengaruhi oleh beberapa

hal, diantaranya :

Macam adsorben

Macam zat yang diadsorpsi (adsorbate)

Luas permukaan adsorben

Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate)

Temperatur

Untuk menghitung kinetika adsorpsi umumnya menggunakan model

persamaan kinetika. Berikut ini beberapa model persamaan kinetika yang sering

digunakan dalam menghitung laju kinetika yaitu sebagai berikut :

a. Model kinetika adsorpsi Langmuir

Model kinetika adsorpsi Langmuir ini berdasarkan pada asumsi sebagai

berikut : laju adsorpsi akan bergantung pada faktor ukuran dan struktur molekul

adsorbat, sifat pelarut dan porositas adsorben, situs pada permukaan yang

homogen dan adsorpsi terjadi secara monolayer. Proses adsorpsi heterogen

memiliki dua tahap, yaitu : (a) perpindahan adsorbat dari fasa larutan ke

permukaan adsorben dan (b) adsorpsi pada permukaan adsorben. Tahap pertama

akan bergantung pada sifat pelarut dan adsorbat yang terkontrol (Oscik,1982).

Reaksi yang terjadi dalam proses adsorpsi dapat diasumsikan sebagai

reaksi bimolekuler antara molekul atau atom adsorbat dan suatu atom dari

permukaan adsorben. Pada reaksi ini akan terbentuk suatu senyawa komplek

teraktifasi antara molekul yang terdapat pada permukaan adsorben dengan

molekul atau atom dari adsorbat.

Dalam adsorpsi ion dalam larutan untuk konsentrasi gas Cg dapat

disetarakan dengan konsentrasi ion dalam larutan CA, sedangkan Cs dapat

disetarakan dengan θ0, jumlah situs yang tidak ditempati oleh adsorbat

(Oscik,1982).

rads = ka θ0 CA

Laju adsorpsi didefinisikan sebagai kecepatan penurunan spesies A (CA) dalam

larutan maka:

rads=d CA

dt=

k aC A

1+KC A

Pada saat adsorbat teradsorpsi secara kuat maka KCA >>1 sehingga

1+KCA~KCA, maka diperoleh persamaan berkut.

rads=d CA

dt=

k aC A

1+KC A

(orde nol)

karena rads hanya bergantung pada ka/K, maka reaksi berorde nol.

Pada saat adsorbat teradsorpsi lemah, maka KCA << 1, sehingga faktor

1+KCA~1, maka diperoleh persamaan berkut.

rads = kaCA (orde satu)

Dalam hal ini reaksi berorde satu, sehingga ka adalah konstanta laju reaksi orde

satu (k1). Secara keseluruhan persamaan lajunya adalah

rads=d CA

dt=

k 1C A

1+KC A

Keterangan:

K : Konstanta keseimbangan adsorpsi (M-1)

k1 : Konstanta laju adsorpsi orde satu pada model Langmuir (menit-1)

rads : Laju adsorpsi (M menit-1)

CA : Konsentrasi A dalam larutan (M)

T : waktu (menit).

2.3 Adsorben

Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik

cairan maupun gas) pada proses adsorpsi (Atkins, 1999). Umumnya adsorben

bersifat spesifik, hanya menyerap zat tertentu. Dalam memilih jenis adsorben pada

proses adsorpsi, disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang akan diadsorpsi.

Adsorben yang paling banyak dipakai untuk menyerap zat-zat dalam larutan

adalah arang. Karbon aktif yang merupakan contoh dari adsorpsi, yang biasanya

dibuat dengan cara membakar tempurung kelapa atau kayu dengan persediaan

udara (oksigen) yang terbatas. Tiap partikel adsorben dikelilingi oleh molekul

yang diserap karena terjadi interaksi tarik menarik. Zat ini banyak dipakai di

pabrik untuk menghilangkan zat-zat warna dalam larutan. Penyerapan bersifat

selektif, yang diserap hanya zat terlarut atau pelarut sangat mirip dengan

penyerapan gas oleh zat padat. Beberapa jenis adsorben yang biasa digunakan

yaitu (Effendi, 2006) :

a. Karbon aktif/arang aktif/ norit.

Sejak perang dunia pertama arang aktif produksi dari peruraian kayu sudah

dikenal sebagai adsorben atau penyerap yang afektif sehingga banyak dipakai

sebagai adsorben pada topeng gas Arang aktif adalah bahan berupa karbon bebas

yang masing-masing berikatan secara kovalen atau arang yang telah dibuat dan

diolah secara khusus melalui proses aktifasi, sehingga pori-porinya terbuka dan

dengan demikian mempunyai daya serap yang besar terhadap zat-zat lainnya, baik

dalam fase cair maupun dalam fase gas. Dengan demikian, permukaan arang aktif

bersifat non-polar. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, dimana

semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin

besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan

kecepatan adsorpsi, dianjurkan menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan.

Karbon aktif ini cocok digunakan untuk mengadsorpsi zat-zat organik. Komposisi

arang aktif terdiri dari silika (SiO2), karbon, kadar air dan kadar debu. Unsur

silika merupakan kadar bahan yang keras dan tidak mudah larut dalam air, maka

khususnya silika yang bersifat sebagai pembersih partikel yang terkandung dalam

air keruh dapat dibersihkan sehingga diperoleh air yang jernih.

Bahan baku yang berasal dari hewan, tumbuh-tumbuhan, limbah maupun

mineral yang mengandung karbon dapat dibuat menjadi arang aktif yaitu dibuat

melalui proses pembakaran secara karbonisasi (aktifasi) dari semua bahan yang

mengandung unsur karbon dalam tempat tertutup dan dioksidasi/ diaktifkan

dengan udara atau uap untuk menghilangkan hidrokarbon yang akan

menghalangi/ mengganggu penyerapan zat organik Bahan tersebut antar lain

tulang, kayu lunak maupun keras, sekam, tongkol jagung, tempurung kelapa,

ampas penggilingan tebu, ampas pembuatan kertas, serbuk gergaji, dan batubara

(Effendi, 2006).

Pembuatan arang aktif

Secara umum dan sederhana, proses pembuatan arang aktif terdiri dari 3

tahap, yaitu :

1. Dehidrasi : proses penghilangan air dimana bahan baku dipanaskan

sampai temperatur 170°C.

2. Karbonisasi : pemecahan bahan-bahan organik menjadi karbon. Suhu

diatas 170°C akan menghasilkan CO dan CO2. Pada suhu 275°C,

dekomposisi menghasilkan “tar”, methanol dan hasil samping lainnya.

Pembentukan karbon terjadi pada temperatur 400-600°C.

3. Aktifasi : dekomposisi tar dan perluasan pori-pori. Dapat dilakukan

dengan uap atau CO2 sebagai aktifator.

Yang dimaksud dengan aktifasi adalah suatu perlakuan terhadap arang

yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan

hidrokarbon atau mengoksidasi molekul-molekul permukaan sehingga arang

mengalami perubahan sifat, baik fisika maupun kimia, yaitu luas permukaannya

bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi.

Arang aktif mempunyai warna hitam, tidak berasa dan tidak berbau,

berbentuk bubuk dan granular, mempunyai daya serap yang jauh lebih besar

dibandingkan dengan arang yang belum mengalami proses aktifasi, mempunyai

bentuk amorf yang terdiri dari plat-plat dasar dan disusun oleh atom-atom karbon

C yang terikat secara kovalen dalam suatu kisi yang heksagon. Plat-plat ini

bertumpuk satu sama lain membentuk kristal-kristal dengan sisa-sisa hidrokarbon

yang tertinggal pada permukaan. Dengan menghilangkan hidrokarbon tersebut

melalui proses aktifasi, akan didapatkan suatu arang atau karbon yang membentuk

struktur jaringan yang sangat halus atau porous sehingga permukaan adsorpsi atau

penyerapan yang besar dimana luas permukaan adsorpsi dapat mencapai 300-3500

cm2/gram. Proses pembuatan arang aktif dibagi menjadi 2, yaitu (Widjanarko,

1996).:

1) Proses Kimia

Bahan baku dicampur dengan bahan-bahan kimia tertentu, kemudian

dibuat padat. Selanjutnya padatan tersebut dibentuk menjadi batangan dan

dikeringkan serta dipotong-potong. Aktifasi dilakukan pada temperatur

100°C. Arang aktif yang dihasilkan dicuci dengan air selanjutnya dikeringkan

pada temperatur 300°C. Dengan proses kimia, bahan baku dapat

dikarbonisasi terlebih dahulu, kemudian dicampur dengan bahan-bahan

kimia.

2) Proses Fisika

Bahan baku terlebih dahulu dibuat arang. Selanjutnya arang tersebut

digiling, diayak untuk selanjutnya diaktifasi dengan cara pemanasan pada

temperatur 1000°C yang disertai pengaliran uap.

Penyerapan Bahan - bahan Terlarut Dengan Arang Aktif

Sifat arang aktif yang paling penting adalah daya serap. Untuk menghilangkan

bahan-bahan terlarut dalam air, biasa menggunakan arang aktif dengan mengubah

sifat permukaan partikel karbon melalui proses oksidasi. Partikel ini akan

menyerap bahan-bahan organik dan akan terakomulasi pada bidang

permukaannya. Pada umumnya ion organik dapat diturunkan dengan arang aktif.

Adsorpsi oleh arang aktif akan melepaskan gas, cairan dan zat padat dari

larutan dimana kecepatan reaksi dan kesempurnaan pelepasan tergantung pada

pH, suhu, konsentrasi awal, ukuran molekul, berat molekul dan struktur molekul.

Penyerapan terbesar adalah pada pH rendah. Dalam Laboratorium Manual

disebutkan bahwa pada umumnya kapasitas penyerapan arang aktif akan

meningkat dengan turunnya pH dan suhu air. Pada pH rendah aktifitas dari bahan

larut dengan larutan meningkat sehingga bahan-bahan larut untuk tertahan pada

arang aktif lebih rendah.

Proses adsorpsi arang aktif dapat digambarkan sebagai molekul yang

meninggalkan zat pengencer yang terjadi pada permukaan zat padat melalui ikatan

kimia maupun fisika. Molekul tersebut digunakan sebagai adsorbat dan zat padat

disebut adsorben arang aktif. Adapun adsorpsi yang terjadi pada arang aktif dapat

bersifat :

1. Adsorpsi Fisika

Adsorpsi fisika terjadi berdasarkan ikatan fisika antara zat-zat dengan

arang aktif dalam keadaan suhu rendah dengan penyerapan relative kecil.

2. Adsorpsi Kimia

Adsorpsi kimia terjadi berdasarkan ikatan kimia antara adsorben (arang

aktif) dengan zat-zat teradsopsi. Dijelaskan pula bahwa bahan dalam larutan

yang bersifat elektrolit akan diserap lebih efektif dalam suasana basa oleh

arang aktif. Sedangkan bahan dalam larutan yang bersifat non elektrolit

penyerapan arang aktif tidak dipengaruhi oleh sifat keasaman atau sifat

kebasaan larutan.

Dalam hal ini, ada beberapa faktor yang mempengaruhi daya serap

adsorpsi (Weber, 1972) dan (Sawyer dan McCarty, 1987) yaitu:

Sifat serapan

Banyak senyawa yang dapat diadsorpsi oleh arang aktif, tetapi

kemampuannya untuk mengadsorpsi berbeda untuk masing-masing senyawa.

Adsorpsi akan bertambah besar sesuai dengan bertambahnya ukuran molekul

serapan dari struktur yang sama, seperti dalam deret homolog. Adsorpsi juga

dipengaruhi oleh gugus fungsi, posisi gugus fungsi, ikatan rangkap, dan

struktur rantai dari senyawa serapan.

Temperatur

Dalam pemakaian arang aktif dianjurkan untuk mengamati temperatur

pada saat berlangsungnya proses. Faktor yang mempengaruhi temperatur

proses adsorpsi adalah viskositas dan stabilitas senyawa serapan. Jika

pemanasan tidak mempengaruhi sifat-sifat senyawa serapan, seperti terjadi

perubahan warna maupun dekomposisi, maka perlakuan dilakukan pada titik

didihnya. Untuk senyawa volatil, adsorpsi dilakukan pada temperatur kamar

atau bila memungkinkan pada temperatur yang lebih rendah.

pH (derajat keasaman)

Untuk asam-asam organik, adsorpsi akan meningkat bila pH diturunkan,

yaitu dengan penambahan asam-asam mineral. Ini disebabkan karena

kemampuan asam mineral untuk mengurangi ionisasi asam organik tersebut.

Sebaliknya apabila pH asam organik dinaikkan yaitu dengan penambahan

alkali, adsorpsi akan berkurang sebagai akibat terbentuknya garam.

Waktu singgung

Bila arang aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu

untuk mencapai kesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik

dengan jumlah arang yang digunakan.

Selisih ditentukan oleh dosis arang aktif, pengadukan juga

mempengaruhi waktu singgung. Pengadukan dimaksudkan untuk memberi

kesempatan pada partikel arang aktif untuk bersinggungan dengan senyawa

serapan.

Secara garis besar penyerapan arang aktif terhadap zat yang terlarut

adalah:

1. Zat teradsorpsi berpindah dari larutannya menuju lapisan luar dari

adsorben (arang).

2. Zat teradsorpsi diserap oleh permukaan arang aktif.

3. Zat teradsorpsi akhirnya diserap oleh permukaan dalam atau permukaan

porous arang.

Adapun secara umum faktor yang menyebabkan adanya daya serap dari

arang aktif adalah :

1. Adanya pori-pori mikro yang jumlahnya besar pada arang aktif sehingga

menimbulkan gejala kapiler yang menyebabkan adanya daya serap.

2. Adanya permukaan yang luas (300 – 3500 cm2/gram) pada arang aktif

sehingga mempunyai kemampuan daya serap yang besar.

Menurut SII No.0258-79, arang aktif yang baik mempunyai persyaratan

seperti yang tercantum pada tabel dibawah ini :

Tabel 2.1 Spesifikasi karbon aktif

JENIS PERSYARATAN

Bagian yang hilang pada pemanasan 950°C Maks. 15%Air Maks. 10%Abu Maks. 2,5%Bagian yang tidak diperarang Tidak nyataDaya serap terhadap larutan Min. 20%

b. Gel Silika

Merupakan bahan yang terbuat dari add treatment dari larutan sodium

silikat yang dikeringkan. Luas permukaanya 600-800 m2/g dengan diameter pori

antara 20-50Á. Gel silika cocok digunakan untuk mengadsorpsi gas dehidrat dan

untuk memisahkan hidrokarbon.

c. Alumina Aktif

Alumina aktif cocok digunakan untuk mengadsorpsi gas kering dan

Liquid. Luas permukaannya 200-500 m2/g dan diameter porinya 20-140Á.

DAFTAR PUSTAKA

Alfian, Z, 2006, Merkuri Antara Manfaat dan Efek Penggunaannya Bagi Kesehatan Manusia dan Lingkungannya, Medan: Universitas Sumatera Utara Repository.

Atkins, P.W, 1999, Kimia Fisika Edisi keempat Jilid 2, Terjemahan Irma I. Kartohadiprodjo, Jakarta: Erlangga.

Effendi, 2006, Teori VSEPR, Kepolaran dan Gaya Antarmolekuler Edisi 2 Cetakan Pertama, Malang: Bayu Media

Oscik, J, 1982, Adsorption, New York: John Wiley and SonsParker, S.P, 1993, Encyclopedia of Chemistry, Second Edition, New York: Mc

Graw-Hill Book Company.Raya, I., Narsito dan Bambang, R, 2002, Kinetika Adsorpsi Ion Logam Aluminium

(III) dan Kromium (III) oleh Biomassa chaetoceros calcitrans yang Terimobilisasi pada Silika Gel, Jurnal Kimia Indonesia.

Sawyer. C.N. dan Mc Carty, P. L, 1987, Chemistry For Engeeneering, 3rd ed, New York: Mc Graw- Hill Book Company

Weber, Jr.W.J, 1977, Physics Chemical Process for Water Quality Control, New York: John Wiley Interscience

Widjanarko, S.B, 1996, Analisa Hasil Pertanian, Malang: Jurusan Teknologi Hasil Pertanian Universitas Brawijaya.